Высокодобротные микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи для среднего инфракрасного диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тебенева Татьяна Сергеевна

• Тебенева Татьяна Сергеевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Тебенева Татьяна Сергеевна

Введение

Глава 1 Микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи для среднего ИК диапазона (обзор литературы)

1.1 МШГ микрорезонаторы как объект исследования

1.2 МШГ микрорезонаторы для среднего ИК диапазона

1.3 Материалы для изготовления

1.4 Методы изготовления

1.5 Добротность МШГ микрорезонатора

1.6 Элементы связи для возбуждения МШГ

1.7 Выводы

Глава 2 Кристаллические микрорезонаторы из германия

2.1 Изготовление микрорезонаторов

2.2 Измерение добротности

2.2.1 Экспериментальная установка

2.2.2 Призменный элемент связи

2.2.3 Полусфера как элемент связи

2.3 Затягивание частоты лазерного излучения на МШГ микрорезонатор

2.3.1 Проявление тепловой нелинейности

2.4 Нелинейное поглощение

2.4.1 Влияние двухфотонного поглощения на полный диапазон затягивания частоты

2.4.2 Прямой метод детектирования двухфотонного поглощения

2.5 Выводы

Глава 3 Изготовление и исследование микросферических резонаторов с модами типа шепчущей галереи из оптического волокна Аэ28з

3.1 Изготовление микросферических резонаторов

3.1.1 Этапы изготовления микросфер методом плавления

3.1.2 Экспериментальная реализация

3.2 Растяжение трисульфидного волокна

3.2.1 Волокно для изготовления микросфер

3.2.2 Растянутое волокно как элемент связи

3.3 Особенности изготовления

3.3.1 Дефекты на поверхности, связанные с подготовкой оптического волокна

3.3.2 Дефекты, связанные с несимметричностью распределения температуры

3.3.3 Дефекты, связанные с кристаллизацией

3.3.4 Изготовленные микросферы из трисульфида мышьяка

3.4 Измерение добротности МШГ микрорезонаторов из Аб283

3.4.1 Возбуждение мод шепчушей галереи и элемент связи

3.4.2 Экспериментальная установка

3.4.3 Спектры пропускания

3.5 Выводы

Глава 4 Высокодобротные микросферические резонаторы с модами типа шепчущей галереи из фторидного оптического волокна ZBLAN

4.1 Изготовление микрорезонаторов

4.1.1 Этапы изготовления

4.1.2 Особенности материала

4.1.3. Экспериментальная установка

4.2 Особенности изготовления

4.2.1 Дефекты, связанные с кристаллизацией

4.2.2 Изготовленные микросферы из фторидного волокна ZBLAN

4.3 Измерение добротности

4.3.1 Элемент связи

4.3.2 Экспериментальная установка для измерения добротности на длине волны 1.55 мкм

4.3.3 Возбуждение мод шепчущей галереи на длине волны 2.64 мкм

4.3.4 Анализ полученных результатов

4.5 Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список рисунков

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокодобротные микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи для среднего инфракрасного диапазона»

Введение

Микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи (МШГ микрорезонаторы) представляют собой тела вращения, изготовленные из диэлектрического материала, размером от нескольких десятков микрон до миллиметра, которые обеспечивает существование мод типа шепчущей галереи в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах за счет полного внутреннего отражения от внутренней поверхности микрорезонатора [1]. Для их изготовления используются различные оптические материалы с малыми потерями в широком диапазоне длин волн. Сочетание в МШГ микрорезонаторах высоких значений добротности (>108) и малого эффективного объема моды позволяет изготавливать эффективные и компактные устройства [2, 3], для решения актуальных задач метрологии, спектроскопии, квантовой оптики, телекоммуникаций и многих других областей, изготавливать эффективные и компактные устройства [4-9].

Уникальные свойства МШГ микрорезонаторов открывают возможности для создания новых фотонных компонентов на их основе для среднего ИК диапазона. В нем находятся, например, фундаментальные полосы поглощения многих молекул (так называемая «область отпечатков пальцев»), которые изучаются методами спектроскопии [10]. Важным инструментом для спектроскопических измерений в среднем ИК диапазоне является оптическая частотная гребенка, то есть оптический сигнал, спектр которого представляет собой набор эквидистантных спектральных линий, получаемых, например, за счет эффекта каскадного четырехволнового смешения в микрорезонаторах с керровской нелинейностью с использованием лазера, работающего в непрерывном режиме [11, 12]. Для ее получения необходимы стабильные и перестраиваемые источники излучения и подходящие оптические материалы. Средний ИК диапазон является крайне перспективным для задач спектроскопии, химического и биологического

сенсинга, играет важную роль в медицине и промышленности, где активно применяется лазерная обработка многослойных структур, а также для фундаментальных исследований [10, 13-17]. В области среднего ИК диапазона находятся два основных окна прозрачности атмосферы (3-5 мкм и 8-12 мкм), поэтому для задач передачи сигнала в отрытом пространстве необходимо создание элементной базы для данного диапазона частот [18]. В то же время существует ряд факторов, сдерживающих развитие фотоники в этом диапазоне. Одним из них является дефицит источников излучения с узкой и стабильной линией генерации в среднем ИК диапазоне.

Решением этой проблемы для диапазона длин волн от 2 мкм до 4 мкм может быть создание микролазеров на основе МШГ микрорезонаторов. В качестве активной среды для них могут быть использованы аморфные оптические материалы, легированные редкоземельными элементами [19, 20]. Одним из наиболее перспективных для этих целей материалом является стекло на основе фторидов тяжелых металлов ZBLAN [21]. Большим преимуществом данного материала является то, что теоретический минимум собственных потерь для него в диапазоне 2-3 мкм на 2 порядка меньше, чем теоретический минимум потерь кварцевого стекла, который приходится на длину волны 1.3 мкм [22]. Несмотря на то, что на сегодняшний день теоретический минимум потерь для фторидных стекол ZBLAN не был пока достигнут на практике, микрорезонаторы из них представляют огромный потенциал для создания высокоэффективных микролазеров в диапазоне 2-4 мкм [20, 23, 24].

В более широком спектральном диапазоне вариантом решения проблемы с нехваткой источников излучения является создание лазеров на основе эффекта вынужденного рамановского рассеяния. В качестве активной среды для них могут служить халькогенидные стекла, которые имеют большое окно прозрачности в среднем ИК диапазоне и коэффициент рамановского усиления, который примерно в 100 раз больше, чем у кварцевых стекол [25, 26]. Такие устройства могут

перекрыть спектральный диапазон недоступный лазерам с активными средами, легированными редкоземельными элементами, и полупроводниковым лазерам.

Проблема нехватки источников в диапазоне от 4 до 10 мкм частично решается с использованием квантово-каскадных лазеров [27]. В этом спектральном диапазоне более актуальной задачей является поиск оптимального материала с низким уровнем потерь для изготовления МШГ резонаторов, позволяющих обеспечить их стабилизацию. МШГ микрорезонаторы из кристаллических фторидных материалов (СаБ2, М£р2, ВаБ2 и др.) хорошо зарекомендовали себя в ближнем ИК диапазоне, и, хотя диапазон пропускания для таких материалов может доходить до 7-10 мкм, добротность в среднем ИК диапазоне для них оказалась на два порядка хуже, чем в ближнем ИК, что может быть связано с многофононным поглощением [6, 28, 29]. Анализ различных оптических материалов показал, что одним из наиболее перспективных материалов для среднего ИК диапазона является германий. Это обусловлено тем, что германий полностью перекрывает два атмосферных окна, обладает большим коэффициентом нелинейности (3.5-10-17 м2/Вт), показателем преломления (п = 4.1 на длине волны 2 мкм) и низкими оптическими потерями в диапазоне до 14 мкм [30-32]. Также большим преимуществом является его КМОП-совместимость (технология комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник), которая открывает путь к миниатюризации, удешевлению и массовому производству фотонных устройств на интегральной платформе для среднего ИК диапазона [33].

Цель работы заключается в разработке методики изготовления и обработки поверхности МШГ микрорезонаторов, методов возбуждения и исследования параметров мод шепчущей галереи в микрорезонаторах из кристаллического германия и оптических волокон из аморфных трисульфида мышьяка и ZBLAN для среднего инфракрасного диапазона.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать методику изготовления высокодобротных микрорезонаторов с

модами типа шепчущей галереи из кристаллического германия. Разработать

эффективный способ ввода излучения в подготовленный микрорезонатор. Экспериментально определить величину добротности и факторы, которые могут её ограничивать. Исследовать влияние нелинейного поглощения на параметры микрорезонатора на длине волны 2.68 мкм и разработать метод, позволяющий оценить это влияние количественно.

2. Разработать методику изготовления оптических МШГ микрорезонаторов из оптического волокна из трисульфида мышьяка для получения высокодобротных микросферических резонаторов различных диаметров. Определить факторы, влияющие на качество поверхности МШГ микрорезонатора в процессе изготовления, и экспериментально определить необходимые параметры для минимизации этого влияния. Экспериментально определить величину добротности и факторы, ограничивающие ее.

3. Разработать методику изготовления оптических МШГ микрорезонаторов из фторидного оптического волокна ZBLAN для получения высокодобротных микросферических резонаторов. Определить все факторы, влияющие на качество поверхности МШГ микрорезонатора из ZBLAN, и определить необходимые параметры для минимизации этого влияния. Экспериментально определить величину добротности и факторы, ограничивающие ее.

Положения, выносимые на защиту:

1. Асимптотическая полировка микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи из кристаллического германия позволяет достичь предельной добротности, равной (2.2 ± 0.2)107, измеренной на длине волны 2.68 мкм.

2. Использование полусферы из германия в качестве элемента связи обеспечивает возбуждение мод типа шепчущей галереи в микрорезонаторе из кристаллического германия с уровнем эффективной связи не менее 40%.

3. Предложенный метод определения влияния двухфотонного поглощения в МШГ микрорезонаторе из германия на длине волны 2.68 мкм позволяет

измерить величину коэффициента двухфотонного поглощения по аппроксимации ширины линии микрорезонатора для разных мощностей накачки. Измененная величина составляет (0.71 ± 0.12)10-8 м/Вт.

4. Диапазон затягивания частоты лазерного диода на моду типа шепчущей галереи кристаллического микрорезонатора из германия с добротностью (2.2 ± 0.2)107 может составлять более 100 МГц что позволяет использовать эффект затягивания для стабилизации лазерного излучения в среднем ИК диапазоне.

5. Разработанная методика изготовления обеспечивает получение высокодобротных оптических микросферических резонаторов с модами типа шепчущей галереи из трисульфида мышьяка As2S3 с заданным диаметром в диапазоне от 50 до 500 мкм с величиной добротности (5.2 ± 0.2)106 на длине волны 1.55 мкм, а из фторидного волокна ZBLAN - с конечными диаметрами от 250 мкм до 450 мкм, величиной добротности (5.4 ± 0.4)-108 на длине волны 1.55 мкм, и добротностью свыше 108 на длине волны 2.64 мкм.

6. Разработанный и реализованный метод изготовления обеспечивает получение растянутого одномодового As2S3 волокна с диаметром перетяжки до 3-4 мкм и величиной оптических потерь 0.5 дБ/см на длине волны 1.5 мкм, и 0.31 дБ/см на длине волны 2.64 мкм.

Научная новизна:

1. Впервые экспериментально продемонстрирована рекордная величина добротности на уровне материальных потерь в кристаллических микрорезонаторах из германия, которая на два порядка выше результатов, представленных ранее в литературе.

2. Впервые экспериментально продемонстрирован эффект затягивания частоты лазерного диода на моду типа шепчущей галереи кристаллического микрорезонатора из германия, который может использоваться для стабилизации лазерного излучения в среднем ИК диапазоне.

3. Впервые разработана и реализована методика для измерения коэффициента двухфотонного поглощения в МШГ микрорезонаторах, основанная на изменении ширины линии резонансной кривой для разных величин мощностей, поступающих в МШГ микрорезонатор.

4. Впервые экспериментально продемонстрирована рекордная величина добротности на уровне материальных потерь в микросферических резонаторах из фторидного волокна ZBLAN, которая на порядок больше представленных ранее в литературе.

Научная и практическая значимость. Описанный в работе метод изготовления кристаллического микрорезонатора из германия позволил получить микрорезонатор с добротностью на уровне материальных потерь, что позволяет использовать их в качестве эффективных устройств для измерения потерь в материале даже при наличии нелинейного поглощения. Достигнутые величины добротности в МШГ микрорезонаторах из германия являются рекордными среди продемонстрированных в среднем ИК диапазоне, что открывает новые возможности для создания приборов на основе МШГ микрорезонаторов в этом диапазоне.

Также была представлена методика измерения коэффициента двухфотонного поглощения в МШГ микрорезонаторе из германия на длине волны 2.68 мкм. Разработанный и реализованный метод позволяет количественно оценить коэффициент двухфотонного поглощения в материале, из которого изготовлен МШГ микрорезонатор с точностью не хуже 17%.

В работе было продемонстрировано затягивание частоты лазерного излучения диода на МШГ микрорезонатор из кристаллического германия, что открывает путь для стабилизации лазерного излучения в среднем ИК диапазоне на длине волны свыше 2 мкм.

Разработанная методика изготовления микросферических МШГ резонаторов из аморфных материалов трисульфида мышьяка и фторидного ZBLAN позволит создавать микролазеры на основе легированных редкоземельными элементами

материалов, а также лазеров на эффекте вынужденного рамановского рассеяния. Полученная величина добротности в микросферическом резонаторе из фторидного оптического волокна, соответствующая уровню материальных потерь, открывает перспективы для создания высокоэффективных микролазеров.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи из кристаллического германия и аморфных трисульфида мышьяка и фторидного ZBLAN. Предметом исследования являются методы изготовления высокодобротных микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи, определение добротности изготовленных микрорезонаторов, определение коэффициента нелинейного поглощения в МШГ микрорезонаторах.

Методология и методы исследования. В работе использовались следующие методы: метод плавления для изготовления МШГ микрорезонаторов из аморфных материалов, метод определения величины добротности по ширине резонансной кривой на полувысоте, прямой метод определения коэффициента нелинейного поглощения по зависимости интенсивности излучения от мощности, циркулирующей в микрорезонаторе, а также общепринятые методы теоретической и экспериментальной физики.

Степень достоверности и апробации результатов. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Всероссийская Конференция по волоконной оптике (ВКВ0-2021), (Пермь, Россия, 2021)

2. Frontiers in Optics + Laser Science 2021, (Вашингтон, США, 2021)

3. XII международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС - 2021), (Казань, Россия, 2021)

4. 64-я Всероссийская научная конференция МФТИ, (Москва, Россия,

2021)

5. SPIE/COS Photonics Asia 2022, (Пекин, Китай, 2022)

6. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2023», (Москва, Россия, 2023)

7. 65-я Всероссийская научная Конференция МФТИ, (Москва, Россия,

2023)

8. 10-я Школа-конференция с международным участием по оптоэлектронике, фотонике и наноструктурам (Saint Petersburg OPEN 2023), (Санкт-Петербург, Россия, 2023)

9. VII International conference on quantum technologies, (ICQT 2023), (Москва, Россия, 2023)

10. Optica Advanced Photonics Congress, (Пусан, Южная Корея, 2023)

11. 21st International conference on laser optics (ICLO 2024) (Санкт-Петербург, Россия, 2024)

12. 16th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO-PR 2024) (Инчхен, Южная Корея, 2024)

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 12 печатных изданиях, из которых 5 - публикации, индексируемые в базах Scopus, Web of Science, 7 - в сборниках тезисов и материалах конференций:

1. Tebeneva T.S., Shitikov A.E., Benderov O.V., Lobanov V.E., Bilenko I.A., Rodin A.V. Ultrahigh-Q WGM microspheres from ZBLAN for the mid-IR band // Optics Letters - 2022. Vol. 47, No. 24, P. 6325-6328

2. Tebeneva T.S., Lobanov V.E., Chermoshentsev D.A., Min'kov K.N., Kaplunov I.A., Vinogradov I.I., Bilenko I.A., Shitikov A.E. Crystalline germanium high-Q microresonators for mid-IR // Optics Express - 2024. Vol. 32, N. 9, P. 15680-15690

3. Тебенева Т.С., Шитиков А.Е., Бендеров О.В., Лобанов В.Е., Родин А.В., Биленко И.А. Особенности изготовления микрорезонаторов из аморфных материалов // Оптика и спектроскопия - 2024. Т. 132, №3, С. 342-350.

4. Tebeneva T.S., Shitikov A.E., Benderov O.V., Lobanov V.E., Min'kov K.N., Bilenko I.A., Rodin A.V. High-Q WGM microresonators for mid-IR //

Nanophotonics, Micro/Nano Optics, and Plasmonics VIII. - SPIE, 2023. - Vol. 123220. - P. 212-218.

5. Tebeneva T.S., Shitikov A.E., Benderov O.V., Lobanov V.E., Min'kov K.N., Bilenko I.A., Rodin A.V., Skripachev I.V. High-Q As2S3 and GaAs Whispering Gallery Mode Microresonators // Frontiers in Optics. - Optica Publishing Group, 2021, P. JTu1A.107.

6. Тебенева Т.С., Бендеров О.В., Родин А.В., Скрипачев И.В. Измерение оптических потерь на вытянутом As2S3 волокне в среднем ИК диапазоне // Спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука - 2021. Номер - 6. Выпуск - 174. С. -393.

7. Тебенева Т.С., Шитиков А.Е., Бендеров О.В., Лобанов В.Е., Миньков К.Н., Биленко И.А., Родин А.В., Скрипачев И.В. Изготовление высокодобротных микрорезонаторов из арсенида галлия и трисульфида мышьяка //XII Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС-2021) памяти профессора Виталия Владимировича Самарцева. -2021. - С. 429-431.

8. Тебенева Т.С., Бендеров О.В., Родин А.В., Скрипачев И.В., Оптические потери в вытянутом халькогенидном As2S3 // Труды 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ. - 2021. - С. 157-159.

9. Tebeneva T.S., Shitikov A.E., Min'kov K.N., Benderov O.V., Lobanov V.E., Kaplunov I.A., Bilenko I.A. // High-Q germanium whispering gallery mode microresonators for mid-IR // Novel Optical Materials and Applications. - Optica Publishing Group, 2023. - P. NoM4C.4.

10. Тебенева Т.С., Шитиков А.Е., Бендеров О.В., Миньков К.Н., Лобанов В.Е., Родин А.В., Биленко И.А. Изготовление высокодобротных аморфных и кристаллических микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи для среднего ИК-диапазона // Труды 65-й Всероссийской научной конференции МФТИ в честь 115-летия Л.Д. Ландау. - 2023. - С. 239-240.

11. Тебенева Т.С., Шитиков А.Е., Бендеров О.В., Родин А.В., Лобанов В.Е., Биленко И.А. Изготовление высокодобротных аморфных микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи для среднего ИК-диапазона // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2023» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2023.

12. Tebeneva T.S, Shitikov A.E., Benderov O.V., Rodin A.V., Lobanov V.E., Bilenko I.A. Fabrication of amorphous ZBLAN high-Q WGM microspheres // Book of abstracts: 10th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, Saint Petersburg OPEN 2023 (SPBOPEN 2023). - 2023. - P. 444-445.

Личный вклад. Все изложенные в работе результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 116 страниц с 27 рисунками. Список литературы содержит 202 наименования.

Глава 1 Микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи для среднего

ИК диапазона (обзор литературы)

В главе приводится обзор литературных источников, посвященных исследованию МШГ микрорезонаторов для ближнего и среднего ИК диапазонов. МШГ микрорезонаторы играют важную роль в современной фотонике, обладая небольшими геометрическими размерами и низкими оптическими потерями в широком спектральном диапазоне. Они эффективно используются для задач спектроскопии, метрологии, навигации, нелинейной оптики и других областях. Рассмотрены оптические материалы, прозрачные в диапазоне от 2 мкм, для изготовления МШГ микрорезонаторов в среднем ИК диапазоне. Особый интерес представляют халькогенидные и фторидные аморфные материалы, а также полупроводниковые кремний, арсенид галлия и германий. Эти результаты открывают новые возможности для развития МШГ-фотоники.

1.1 МШГ микрорезонаторы как объект исследования

Эффект отражения акустических волн от поверхности с кривизной известен давно и встречается в различных памятниках архитектуры с круговой или эллиптической симметрией (стена Эха в Храме Небес в Китае, галереи в Соборе Святого Петра в Ватикане и Соборе Святого Павла в Лондоне и других). Волны, отраженные от поверхности с кривизной, позднее получили название волн шепчущей галереи [34]. Одной из первых работ по исследованию МШГ резонаторов в оптике стала работа, опубликованная в 1961 году [35]. В ней авторы показали, что в сферическом резонаторе из фторида кальция, легированного ионами самария СаР2:Зш++ в зависимости от интенсивности накачки наблюдалось индуцированное излучение. Исследование волн шепчущей галереи нашло свое

дальнейшее развитие в диэлектрических резонаторах. Малые линейные размеры оптического резонатора (-десятки мкм) наряду с использованием материалов с низкими собственными потерями, а также уменьшение потерь на отражение от границ за счет скользящего падения лучей на резонатор позволило открыть новый класс оптических резонаторов - класс высокодобротных МШГ резонаторов [36]. В 1989 году группа из МГУ, а именно, Брагинский В.Б., Городецкий М.Л. и Ильченко В.С., продемонстрировала высокодобротные МШГ резонаторы из плавленого кварца с величиной добротности Q = 109 [2]. С тех пор МШГ микрорезонаторы стремительно развивались, что обусловлено, с одной стороны, сочетанием в МШГ резонаторах высоких значений добротностей в широком спектральном диапазоне с малым эффективным объемом мод [2, 3], а с другой -возможностью миниатюризации устройств, собранных на их основе.

Преимущество сочетания большой величины добротности и малого объёма моды проявляется в снижении порога проявления различных нелинейных эффектов [1, 2, 37-39]. Это позволяет эффективно применять МШГ резонаторы для изготовления лазеров и усилителей. На сегодняшний день МШГ лазеры представлены в различных конфигурациях. Выделяют микрорезонаторы, из материалов, легированных редкоземельными элементами [20, 40, 41], микрорезонаторы, поверхность которых покрывается пленками [42-44], полупроводниковые, на основе квантовых точек [45, 46] и МШГ лазеры, работающие на основе нелинейных эффектов в материале [25, 47-57]. За счет высокой добротности (~108-109) и малых геометрических размеров микрорезонаторов (от 25 мкм до 2 мм в диаметре [1]), порог лазерной генерации в МШГ лазерах может составлять порядка нВт-мкВт [58, 59].

Настоящим прорывом в области нелинейной МШГ фотоники стало получение оптической частотной гребенки, являющейся результатом каскадного четырехволнового смешения, вызванного керровской нелинейностью в микрорезонаторе [11, 12]. Она представляет особый интерес для задач спектроскопии, метрологии, навигации, нелинейной и квантовой физики,

астрофизики и других областей [12, 60, 61]. Оптическая частотная гребенка, полученная с использованием МШГ микрорезонатора, позволяет реализовать не только высокоэффективное, а также компактное устройство, что является преимуществом по отношению к коммерческим генераторам частотных гребенок [4, 62, 63].

Возможности МШГ микрорезонаторов позволяют использовать их также для стабилизации лазерного излучения. Так, в работе [64] был предложен вариант получения оптической частотной гребенки с помощью стандартного коммерческого лазера с распределенной обратной связью, частота которого затянута на моду МШГ микрорезонатора. Микрорезонатор в этом случае выполняет как роль внешнего резонатора для стабилизации лазерного диода, так и обеспечивает нелинейное взаимодействие. Благодаря рассеянию Рэлея на неоднородностях в объеме и на поверхности материала, из которого изготовлен МШГ микрорезонатор, осуществляется пассивная, полностью оптическая обратная связь микрорезонатора с источником лазерного излучения, в результате чего происходит подавление фазового шума лазерного излучения и сужение ширины линии лазерной генерации [65-69]. С использованием МШГ микрорезонаторов для стандартных коммерческих диодных лазеров было продемонстрировано сужение ширины линии генерации до субгерцовых значений [70].

Мода типа шепчущей галереи, существующая на границе раздела микрорезонатора с окружающей средой, крайне чувствительна к внешним возмущениям [71]. Благодаря этому МШГ микрорезонаторы могут эффективно использоваться в прецизионных спектроскопических измерениях [72, 73], в качестве оптических сенсоров [74-76], а также для мониторинга различных газов [73, 77]. Сенсоры на основе МШГ микрорезонаторов позволяют обнаруживать белки, ферменты и ДНК с высоким разрешением, а также они демонстрируют исключительную чувствительность для химических и биологических веществ, вплоть до отдельных молекул, что открывает перспективы для их использования в медицине, биологии, и других областях [74, 78-83].

1.2 МШГ микрорезонаторы для среднего ИК диапазона

Достижения МШГ фотоники открывают большие возможности для исследования и развития МШГ микрорезонаторов в том числе и в среднем ИК диапазоне. Благодаря наличию фундаментальных полос поглощения различных молекул средний ИК диапазон представляет большой интерес для задач спектроскопии и биосенсорного анализа [72-75], для наблюдения различных нелинейных эффектов [39, 62, 84-86]. Актуальной задачей является создания новых лазерных источников [23, 43, 48, 87, 88], а также стабилизация существующих типов лазеров [70, 89, 90]. Несмотря на уникальные свойства МШГ микрорезонаторов, их исследование и развитие в среднем ИК диапазоне ограничено следующими факторами. На сегодняшний день в диапазоне от 2 до 4 мкм наблюдается острый дефицит доступных источников излучения с узкой и стабильной линией генерации. Одним из путей решения этой проблемы является создание оптических компонентов на основе МШГ микрорезонаторов. Микрорезонаторы из аморфных материалов, легированных редкоземельными элементами, являются подходящей платформой для решения этой проблемы. Лазерная генерация в спектральном диапазоне 2-5 мкм в легированных халькогенидных, фторидных и теллуритных МШГ микрорезонаторах была продемонстрирована в работах [23, 59, 91-98]. Одним из преимуществ таких микролазеров является источник накачки, длина волны которого находится в телекоммуникационном диапазоне. Для интегральных резонаторов получение лазерной генерации в диапазоне от 2-3 мкм с помощью микрорезонаторов является еще более сложной задачей из-за отсутствия подходящих прозрачных материалов, либо из-за необходимости внедрения и освоения технологических процессов изготовления и обработки сложных материалов [93, 99, 100]. Планарные фотонные устройства, полученные путем интеграции на кремний, представляют собой хорошую альтернативу для производства недорогой и высокопроизводительной

оптоэлектроники [101]. Эффект затягивания частоты лазерного излучения на микрорезонатор может способствовать решению проблемы стабильных источников в диапазоне от 2 мкм как для интегральных [102], так и для объёмных [29, 68] микрорезонаторов.

Оптические частотные гребенки открывают огромные возможности для задач спектроскопии в среднем ИК диапазоне, однако их экспериментальное получение в диапазоне от 3 мкм является сложной задачей. Для получения оптических гребенок на основе МШГ микрорезонаторов также требуются стабильные, достаточно мощные источники излучения и подходящие оптические материалы [103]. Впервые экспериментально полученная оптическая гребенка в диапазоне от 2 мкм на основе МШГ микрорезонаторов была продемонстрирована в работе [104]. В ней была сгенерирована оптическая гребенка шириной 200 нм в кристаллическом микрорезонаторе из фторида магния (М£Б2) на длине волны накачки 2.45 мкм с использованием оптического параметрического генератора. Позднее частотные гребенки были получены в кристаллических микрорезонаторах из фторидов кальция (СаБ2) и магния (М§Б2) на длинах волны накачки 4.5 мкм [28] и 4.78 мкм [105]. Также была получена оптическая частотная гребенка шириной от 2.1 мкм до 3.5 мкм на основе интегрального микрорезонатора из кремния [106]. Авторы исследования также продемонстрировали успешное применение оптических гребенок для спектроскопии газов, зарегистрировав спектр поглощения ацетилена с высоким спектральным разрешением (менее 80 МГц) в полосе пропускания 40 ГГц [107]. Также авторы данной работы продемонстрировали получение двух оптических гребенок [108, 109], использование которых позволяет расширить возможности спектрометрических методов для получения спектров поглощения исследуемых веществ [110, 111]. Полученные результаты вызывают большой интерес и стимулируют новые исследования. Многие теоретические работы посвящены поиску оптимальных материалов и наилучших параметров для получения частотных гребенок в МШГ микрорезонаторах, а также минимизации пороговой мощности для получения

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тебенева Татьяна Сергеевна, 2024 год

Список литературы

1. Городецкий, М. Л. Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью / М. Л. Городецкий. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 416 с.

2. Braginsky, V. B. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes / V. B. Braginsky, M. L. Gorodetsky, V. S. Ilchenko // Physics Letters A.

- 1989. - Vol. 137. - № 7. - P. 393-397.

3. Vahala, K. J. Optical microcavities / K. J. Vahala // Nature. - 2003. - Vol. 424. -№ 6950. - P. 839-846.

4. Optical Frequency Combs Generated in Silica Microspheres in the Telecommunication C-, U-, and E-Bands / E. A. Anashkina [et al.] // Photonics. - 2021.

- Vol. 8. - № 9. - P. 345.

5. Whispering Gallery Mode Optical Microresonators: Structures and Sensing Applications / L. Cai [et al.] // physica status solidi (a). - 2020. - Vol. 217. - № 6. -P. 1900825.

6. Grudinin, I. S. Properties of fluoride microresonators for mid-IR applications / I. S. Grudinin, K. Mansour, N. Yu // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41. - № 10. - P. 2378.

7. Ilchenko, V. S. Optical resonators with whispering-gallery modes-part II: applications / V. S. Ilchenko, A. B. Matsko // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2006. - Vol. 12. - № 1. - P. 15-32.

8. Optical microresonators for biomedicine applications / D. Laneve [et al.] // 2017 19th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). - 2017. - P. 15.

9. Review of Applications of Whispering-Gallery Mode Resonators in Photonics and Nonlinear Optics / A. Matsko [et al.] // Interplanetary Network Progress Report. - 2005.

- Vols 42-162. - P. 1-51.

10. El-Azazy, M. Infrared Spectroscopy: Principles, Advances, and Applications. Infrared Spectroscopy / M. El-Azazy. - BoD - Books on Demand, 2019. - 180 p.

11. Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator / P. Del'Haye [et al.] // Nature. - 2007. - Vol. 450. - № 7173. - P. 1214-1217.

12. Kippenberg, T. J. Microresonator-Based Optical Frequency Combs / T. J. Kippenberg, R. Holzwarth, S. A. Diddams // Science. - 2011. - Vol. 332. - № 6029. -P. 555-559.

13. Jean, B. Mid-IR Laser Applications in Medicine / B. Jean, T. Bende // Solid-State Mid-Infrared Laser Sources / eds. I. T. Sorokina, K. L. Vodopyanov. - Springer, 2003. -P. 530-565.

14. Ray, P. Novel mid-IR light sources for emerging applications: PhD thesis / P. Ray.

- 2022. - 203 p.

15. Medical applications of mid-IR lasers. Problems and prospects / V. A. Serebryakov [et al.] // Journal of Optical Technology. - 2010. - Vol. 77. - № 1. - P. 6-17.

16. Van Eerdenbrugh, B. Application of mid-IR spectroscopy for the characterization of pharmaceutical systems / B. Van Eerdenbrugh, L. S. Taylor // International Journal of Pharmaceutics. - 2011. - Vol. 417. - № 1. - P. 3-16.

17. Wartewig, S. Pharmaceutical applications of Mid-IR and Raman spectroscopy / S. Wartewig, R. H. H. Neubert // Advanced Drug Delivery Reviews. - 2005. - Vol. 57. -№ 8. - P. 1144-1170.

18. Prasad, N. S. Optical Communications in the mid-wave IR spectral band / N. S. Prasad // Free-Space Laser Communications: Principles and Advances / eds. A. K. Majumdar, J. C. Ricklin. - Springer, 2008. - P. 347-391.

19. Design of Mid-IR Er3+ -Doped Microsphere Laser / L. Mescia [et al.] // IEEE Photonics Journal. - 2013. - Vol. 5. - № 4. - P. 1501308-1501308.

20. Wetenkamp, L. Optical properties of rare earth-doped ZBLAN glasses / L. Wetenkamp, G. F. West, H. Tobben // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1992. -Vol. 140. - P. 35-40.

21. Parker, J. M. Fluoride Glasses / J. M. Parker // Annual Review of Materials Science. - 1989. - Vol. 19. - № 1. - P. 21-41.

22. Harrington, J. A. Infrared Fibers and Their Applications / J. A. Harrington. - SPIE Press, 2004. - 298 p.

23. Deng, Y. Demonstration of a cw room temperature mid-IR microlaser / Y. Deng, R. K. Jain, M. Hossein-Zadeh // Optics Letters. - 2014. - Vol. 39. - № 15. - P. 4458.

24. Way, B. High-Q ZBLAN microcavities for mid-infrared applications / B. Way, R. K. Jain, M. Hossein-Zadeh // IEEE Photonics Conference 2012. - 2012. - P. 143-144.

25. Raman lasing in As2S3 high-Q whispering gallery mode resonators / F. Vanier [et al.] // Optics Letters. - 2013. - Vol. 38. - № 23. - P. 4966-4969.

26. Vanier, F. Nonlinear Optics in Chalcogenide and Tellurite Microspheres for the Generation of Mid-Infrared Frequencies: PhD thesis / F. Vanier. - 2015. - 183 p.

27. Quantum cascade lasers: 20 years of challenges / M. S. Vitiello [et al.] // Optics Express. - 2015. - Vol. 23. - Quantum cascade lasers. - № 4. - P. 5167-5182.

28. Generation of Kerr combs centered at 4.5 ^m in crystalline microresonators pumped with quantum-cascade lasers / A. A. Savchenkov [et al.] // Optics Letters. - 2015.

- Vol. 40. - № 15. - P. 3468-3471.

29. Microcavity-Stabilized Quantum Cascade Laser / M. Siciliani de Cumis [et al.] // Laser & Photonics Reviews. - 2016. - Vol. 10. - № 1. - P. 153-157.

30. Nonlinear Group IV photonics based on silicon and germanium: from near-infrared to mid-infrared / L. Zhang [et al.] // Nanophotonics. - 2014. - Vol. 3. - № 4-5. - P. 247268.

31. Li, H. H. Refractive index of silicon and germanium and its wavelength and temperature derivatives / H. H. Li // Journal of Physical and Chemical Reference Data. -1980. - Vol. 9. - № 3. - P. 561-658.

32. Каплунов, И. А. Оптические свойства и области применения германия в фотонике / И. А. Каплунов, В. Е. Рогалин // Фотоника. - 2019. - Т. 13. - № 1. - С. 88106.

33. Ren, D. Integrated nonlinear photonics in the longwave-infrared: A roadmap / D. Ren, C. Dong, D. Burghoff // MRS Communications. - 2023. - Vol. 13. - № 6. - P. 942956.

34. Стрэтт, Дж. В. Теория звука / Дж. В. Стрэтт. - Москва: Гостехиздат, 1955.

- 503 с.

35. Garrett, C. G. B. Stimulated Emission into Optical Whispering Modes of Spheres / C. G. B. Garrett, W. Kaiser, W. L. Bond // Physical Review. - 1961. - Vol. 124. - № 6.

- P. 1807-1809.

36. Синтез оптических микрорезонаторов с модами шепчущей галереи / Р. О. Алексеев [и др.] // Успехи в химии и химической технологии. - 2015. - Т. 29. - №2 7.

- С. 10-12.

37. Diallo, S. Advances in nonlinear phenomena in Whispering-Gallery Mode resonators / S. Diallo, Y. K. Chembo // Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XX. - International Society for Optics and Photonics, 2018. - Vol. 10518. -P. 105180E.

38. Nonstationary nonlinear effects in optical microspheres / A. E. Fomin [et al.] // JOSA B. - 2005. - Vol. 22. - № 2. - P. 459-465.

39. Lin, G. Nonlinear photonics with high-Q whispering-gallery-mode resonators / G. Lin, A. Coillet, Y. K. Chembo // Advances in Optics and Photonics. - 2017. - Vol. 9. -№ 4. - P. 828-890.

40. Fiber-coupled microsphere laser / M. Cai [et al.] // Optics Letters. - 2000. -Vol. 25. - № 19. - P. 1430-1432.

41. Whispering-gallery-mode laser at 1.56 ^m excited by a fiber taper / F. Lissillour [et al.] // Optics Letters. - 2001. - Vol. 26. - № 14. - P. 1051-1053.

42. Fiber-microsphere laser with a submicrometer sol-gel silica glass layer codoped with erbium, aluminum, and phosphorus / H. Takashima [et al.] // Applied Physics Letters. - 2007. - Vol. 90. - № 10. - P. 101103.

43. Yang, L. Gain functionalization of silica microresonators / L. Yang, K. J. Vahala // Optics Letters. - 2003. - Vol. 28. - № 8. - P. 592-594.

44. Low-Threshold Microlaser in Er: Yb Phosphate Glass Coated Microsphere / C. -H. Dong [et al.] // IEEE Photonics Technology Letters. - 2008. - Vol. 20. - Low-Threshold Microlaser in Er. - № 5. - P. 342-344.

45. Крыжановская, Н. В. Лазеры на основе квантовых точек и микрорезонаторов с модами шепчущей галереи / Н. В. Крыжановская, М. В. Максимов, А. Е. Жуков // Квантовая электроника. - 2014. - Т. 44. - № 3. - С. 189-200.

46. Quantum-dot microlasers based on whispering gallery mode resonators / A. E. Zhukov [et al.] // Light: Science & Applications. - 2021. - Vol. 10. - № 1. - P. 80.

47. Snow, J. B. Stimulated Raman scattering from individual water and ethanol droplets at morphology-dependent resonances / J. B. Snow, S.-X. Qian, R. K. Chang // Optics Letters. - 1985. - Vol. 10. - № 1. - P. 37-39.

48. Spillane, S. MUltralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity / S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, K. J. Vahala // Nature. - 2002. - Vol. 415. - № 6872. - P. 621-623.

49. Andrianov, A. V. L-band Raman lasing in chalcogenide glass microresonator started by thermal mode pulling with auxiliary red diode laser / A. V. Andrianov, E. A. Anashkina // Results in Physics. - 2021. - Vol. 24. - P. 104170.

50. Raman lasing and soliton mode-locking in lithium niobate microresonators / M. Yu [et al.] // Light: Science & Applications. - 2020. - Vol. 9. - № 1. - P. 9.

51. Tian, J. Magnesium Fluoride Brillouin and Raman Microlaser / J. Tian, G. Lin // Journal of Lightwave Technology. - 2024. - Vol. 42. - № 6. - P. 2118-2123.

52. Visible light emission from a silica microbottle resonator by second- and third-harmonic generation / M. Asano [et al.] // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41. - № 24. -P. 5793-5796.

53. Optical Frequency Conversion in Silica-Whispering-Gallery-Mode Microspherical Resonators / D. Farnesi [et al.] // Physical Review Letters. - 2014. - Vol. 112. - № 9. -P. 093901.

54. Analysis of third-order nonlinearity effects in very high-Q WGM resonator cavity ringdown spectroscopy / A. Rasoloniaina [et al.] // JOSA B. - 2015. - Vol. 32. - № 3. -P. 370-378.

55. Nonlinear Optics and Crystalline Whispering Gallery Mode Cavities /V. S. Ilchenko [et al.] // Physical Review Letters. - 2004. - Vol. 92. - № 4. - P. 043903.

56. Sasagawa, K. Highly Efficient Third Harmonic Generation in a Periodically Poled MgO:LiNbO3 Disk Resonator / K. Sasagawa, M. Tsuchiya // Applied Physics Express. -2009. - Vol. 2. - № 12. - P. 122401.

57. Bergfeld, S. Second-Harmonic Generation in GaAs: Experiment versus Theoretical Predictions of x x y z (2) / S. Bergfeld, W. Daum // Physical Review Letters. - 2003. -Vol. 90. - № 3. - P. 036801.

58. Phys. Rev. A 54, R1777(R) (1996) - Very low threshold whispering-gallery-mode microsphere laser.

59. Low threshold fiber taper coupled rare earth ion-doped chalcogenide microsphere laser / C.-R. Li [et al.] // Chinese Physics B. - 2015. - Vol. 24. - № 4. - P. 044208.

60. Въюжанина, E. A. Дисковые резонаторы для датчиков угловой скорости / E. A. Вьюжанина, В. В. Криштоп // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2020. - Т. 63. - № 9. - С. 823-829.

61. Electro-Optic Frequency Combs: Theory, Characteristics, and Applications / R. Zhuang [et al.] // Laser & Photonics Reviews. - 2023. - Vol. 17. - Electro-Optic Frequency Combs. - № 6. - P. 2200353.

62. Micro-combs: A novel generation of optical sources / A. Pasquazi [et al.] // Physics Reports. - 2018. - Vol. 729. - P. 1-81.

63. Mode-locked mid-infrared frequency combs in a silicon microresonator / M. Yu [et al.] // Optica. - 2016. - Vol. 3. - № 8. - P. 854.

64. Narrow-linewidth lasing and soliton Kerr microcombs with ordinary laser diodes / N. G. Pavlov [et al.] // Nature Photonics. - 2018. - Vol. 12. - № 11. - P. 694-698.

65. Self-injection locking of a laser diode to a high-Q WGM microresonator / N. M. Kondratiev [et al.] // Opt. Express. - 2017. - Vol. 25. - № 23. - P. 28167-28178.

66. Recent advances in laser self-injection locking to high-Q microresonators / N. M. Kondratiev [et al.] // Frontiers of Physics. - 2023. - Vol. 18. - № 2. - P. 21305.

67. Whispering-gallery-mode-resonator-based ultranarrow linewidth external-cavity semiconductor laser / W. Liang [et al.] // Optics Letters. - 2010. - Vol. 35. - № 16. -P. 2822-2824.

68. Optimization of laser stabilization via self-injection locking to a whispering-gallery-mode microresonator: experimental study / A. E. Shitikov [et al.] // Optics Express. - 2023. - Vol. 31. - № 1. - P. 313-327.

69. CaF2 whispering-gallery-mode-resonator stabilized-narrow-linewidth laser / B. Sprenger [et al.] // Optics Letters. - 2010. - Vol. 35. - № 17. - P. 2870-2872.

70. Ultralow noise miniature external cavity semiconductor laser / W. Liang [et al.] // Nature Communications. - 2015. - Vol. 6. - № 1. - P. 7371.

71. Oraevsky, A. N. Whispering-gallery waves / A. N. Oraevsky // Quantum Electronics. - 2002. - Vol. 32. - № 5. - P. 377-400.

72. Ward, J. WGM microresonators: sensing, lasing and fundamental optics with microspheres / J. Ward, O. Benson // Laser & Photonics Reviews. - 2011. - Vol. 5. -№ 4. - P. 553-570.

73. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator / J. Zhu [et al.] // Nature Photonics. - 2010. - Vol. 4. - № 1. - P. 4649.

74. Vollmer, F. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules / F. Vollmer, S. Arnold // Nature Methods. - 2008. - Vol. 5. - № 7. -P. 591-596.

75. Whispering gallery mode carousel - a photonic mechanism for enhanced nanoparticle detection in biosensing / S. Arnold [et al.] // Optics Express. - 2009. -Vol. 17. - № 8. - P. 6230.

76. Vollmer, F. Taking detection to the limit with optical microcavities: Recent advances presented at the 560. WE Heraeus Seminar / F. Vollmer, H. G. L. Schwefel // The European Physical Journal Special Topics. - 2014. - Vol. 223. - № 10. - P. 19071916.

77. Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments / W. von Klitzing [et al.]. - 2001. - Vol. 3. - P. 14-14.

78. Highly sensitive bio sensor based on WGM ring resonator for hemoglobin detection in blood samples / A. K. Ajad [et al.] // Optik. - 2021. - Vol. 226. - P. 166009.

79. Behzadi, B. On the Performance of Intracavity Gas Sensors Based on Whispering-Gallery Microlasers / B. Behzadi, M. Hossein-Zadeh // IEEE Sensors Journal. - 2020. -Vol. 20. - № 17. - P. 9772-9778.

80. De Miguel-Hernández, J. Feasibility of cosmic microwave background observations using radiometers based on whispering gallery mode resonators / J. De Miguel-Hernández, R. J. Hoyland // New Astronomy. - 2020. - Vol. 78. - P. 101367.

81. Whispering gallery microsensors: a review / X. Jiang [et al.] // Matter. - 2020. -Vol. 3. - № 2. - P. 371-392.

82. Review of biosensing with whispering-gallery mode lasers / N. Toropov [et al.] // Light: Science & Applications. - 2021. - Vol. 10. - № 1. - P. 42.

83. Whispering-gallery-mode sensors for biological and physical sensing / D. Yu [et al.] // Nature Reviews Methods Primers. - 2021. - Vol. 1. - № 1. - P. 1-22.

84. Microcavity Nonlinear Optics with an Organically Functionalized Surface / J. Chen [et al.] // Physical Review Letters. - 2019. - Vol. 123. - № 17. - P. 173902.

85. Dissipative Kerr solitons in optical microresonators / T. J. Kippenberg [et al.] // Science. - 2018. - Vol. 361. - № 6402. - P. eaan8083.

86. Giant enhancements of high-order upconversion luminescence enabled by multiresonant hyperbolic metamaterials / H. Xu [et al.] // Photonics Research. - 2021. -Vol. 9. - № 3. - P. 395.

87. Behzadi, B. Power scaling of narrow-linewidth mid-IR spherical microlasers / B. Behzadi, R. K. Jain, M. Hossein-Zadeh // Laser Physics Letters. - 2018. - Vol. 15. - № 8.

- P. 085112.

88. He, L. Whispering gallery microcavity lasers: WGM microlasers / L. He, §. K. Özdemir, L. Yang // Laser & Photonics Reviews. - 2013. - Vol. 7. - № 1. - P. 60-82.

89. Spectrum collapse, narrow linewidth, and Bogatov effect in diode lasers locked to high-Q optical microresonators / R. R. Galiev [et al.] // Optics Express. - 2018. - Vol. 26.

- № 23. - P. 30509-30522.

90. Self-injection locking of a laser diode to a high-Q silicon WGM microresonator / A. Shitikov [et al.] // EPJ Web of Conferences. - 2019. - Vol. 220. - P. 03027.

91. Anashkina, E. A. Numerical simulation of multi-color laser generation in Tm-doped tellurite microsphere at 1.9, 1.5 and 2.3 microns / E. A. Anashkina, G. Leuchs, A. V. Andrianov // Results in Physics. - 2020. - Vol. 16. - P. 102811.

92. Behzadi, B. Spectral and Modal Properties of a Mid-IR Spherical Microlaser / B. Behzadi, R. K. Jain, M. Hossein-Zadeh // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2017.

- Vol. 53. - № 6. - P. 1-9.

93. Integrated Midinfrared Laser Based on an Er-Doped Chalcogenide Microresonator / Z. Han [et al.] // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2015. -Vol. 21. - № 1. - P. 311-317.

94. Marisova, M. P. Comprehensive Numerical Analysis of Temperature Sensitivity of Spherical Microresonators Based on Silica and Soft Glasses / M. P. Marisova, A. V. Andrianov, E. A. Anashkina // Sensors. - 2023. - Vol. 23. - № 2. - P. 717.

95. Design of praseodymium-doped chalcogenide micro-disk emitting at 4.7 ^m / G. Palma [et al.] // Optics Express. - 2017. - Vol. 25. - № 6. - P. 7014-7030.

96. Simulation of an erbium-doped chalcogenide micro-disk mid-infrared laser source / F. A. Tal [et al.] // Optics Express. - 2011. - Vol. 19. - № 13. - P. 11951-11962.

97. Fabrication and characterization of Tm3+-Ho3+ co-doped tellurite glass microsphere lasers operating at ~2.1 ^m / Z. Yang [et al.] // Optical Materials. - 2017. -Vol. 72. - P. 524-528.

98. An Experimental and Theoretical Investigation of a 2 ^m Wavelength Low-Threshold Microsphere Laser / J. Yu [et al.] // Journal of Lightwave Technology. - 2020.

- Vol. 38. - № 7. - P. 1880-1886.

99. Characterization of Mid-Infrared Silicon-on-Sapphire Microring Resonators With Thermal Tuning / C. Y. Wong [et al.] // IEEE Photonics Journal. - 2012. - Vol. 4. - № 4.

- P. 1095-1102.

100. Design of an on-chip mid-infrared erbium-doped laser / R. Guo [et al.] // Global Intelligent Industry Conference 2020 Global Intelligent Industry Conference 2020. -SPIE, 2021. - Vol. 11780. - P. 26-29.

101. Mid-infrared integrated photonics on silicon: a perspective / H. Lin [et al.] // Nanophotonics. - 2018. - Vol. 7. - Mid-infrared integrated photonics on silicon. - № 2.

- P. 393-420.

102. Tunable single-mode chip-scale mid-infrared laser / E. Shim [et al.] // Communications Physics. - 2021. - Vol. 4. - № 1. - P. 1-7.

103. Водопьянов, К. Л. Сверхширокополосные частотные гребенки среднего ИК диапазона, создаваемые путем генерации оптических субгармоник / К. Л. Водопьянов // Квантовая электроника. - 2022. - Т. 52. - № 4. - С. 307-312.

104. Mid-infrared optical frequency combs at 2.5 ^m based on crystalline microresonators / C. Y. Wang [et al.] // Nature Communications. - 2013. - Vol. 4. - №2 1.

- P. 1345.

105. Mid-infrared broadband optical frequency comb generated in MgF2 resonators / W. Wu [et al.] // Photonics Research. - 2022. - Vol. 10. - № 8. - P. 1931-1936.

106. Silicon-chip mid-infrared frequency comb generation / A. G. Griffith [et al.] // Nature Communications. - 2015. - Vol. 6. - № 1. - P. 6299.

107. Microresonator-based high-resolution gas spectroscopy / M. Yu [et al.] // Optics Letters. - 2017. - Vol. 42. - № 21. - P. 4442-4445.

108. On-chip dual-comb source for spectroscopy / A. Dutt [et al.] // Science Advances.

- 2018. - Vol. 4. - № 3. - P. e1701858.

109. Dual-comb generation from a single laser source: principles and spectroscopic applications towards mid-IR—A review / R. Liao [et al.] // Journal of Physics: Photonics.

- 2020. - Vol. 2. - № 4. - P. 042006.

110. Mid-infrared dual-comb spectroscopy with quantum cascade lasers / J. Hayden [et al.] // APL Photonics. - 2024. - Vol. 9. - № 3. - P. 031101.

111. Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy / M. Yu [et al.] // Nature Communications. - 2018. - Vol. 9. - № 1. - P. 1869.

112. He, J. Design of on-chip mid-IR frequency comb with ultra-low power pump in near-IR / J. He, Y. Li // Optics Express. - 2020. - Vol. 28. - № 21. - P. 30771-30783.

113. Numerical Simulation of Mid-Infrared Optical Frequency Comb Generation in Chalcogenide As2S3 Microbubble Resonators / E. A. Anashkina [et al.] // Photonics. -2019. - Vol. 6. - № 2. - P. 55.

114. Power-efficient generation of two-octave mid-IR frequency combs in a germanium microresonator / Y. Guo [et al.] // Nanophotonics. - 2018. - Vol. 7. - № 8. - P. 14611467.

115. Mid-infrared ultra-broadband optical Kerr frequency comb based on a CdTe ring microresonator: a theoretical investigation / S. Lu [et al.] // Optics Express. - 2022. -Vol. 30. - № 19. - P. 33969-33979.

116. Shankar, R. Integrated high-quality factor silicon-on-sapphire ring resonators for the mid-infrared / R. Shankar, I. Bulu, M. Loncar // Applied Physics Letters. - 2013. -Vol. 102. - № 5. - P. 051108.

117. Billion Q-factor in silicon WGM resonators / A. E. Shitikov [et al.] // Optica. -2018. - Vol. 5. - № 12. - P. 1525-1528.

118. High-quality microresonators in the longwave infrared based on native germanium / D. Ren [et al.] // Nature Communications. - 2022. - Vol. 13. - № 1. - P. 5727.

119. Mid-infrared integrated silicon-germanium ring resonator with high Q-factor / R. Armand [et al.] // APL Photonics. - 2023. - Vol. 8. - № 7. - P. 071301.

120. Mid-infrared high-Q germanium microring resonator / T.-H. Xiao [et al.] // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43. - № 12. - P. 2885.

121. Germanium microsphere high-Q resonator / P. Wang [et al.] // Optics Letters. -2012. - Vol. 37. - № 4. - P. 728.

122. Difference Frequency Generation at 2.5-2.9 ^m in GaAs Microdisks / A. Andronico [et al.] // Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies. - Optica Publishing Group, 2008. - P. CThO3.

123. Multiphoton absorption and nonlinear refraction of GaAs in the mid-infrared / W. C. Hurlbut [et al.] // Optics Letters. - 2007. - Vol. 32. - № 6. - P. 668.

124. Kuo, P. S. Second-harmonic generation using -quasi-phasematching in a GaAs whispering-gallery-mode microcavity / P. S. Kuo, J. Bravo-Abad, G. S. Solomon // Nature Communications. - 2014. - Vol. 5. - № 1. - P. 3109.

125. Origin of optical losses in gallium arsenide disk whispering gallery resonators / D. Parrain [et al.] // Optics Express. - 2015. - Vol. 23. - № 15. - P. 19656.

126. Generation of Kerr combs in MgF2 and CaF2 microresonators / W. Liang [et al.] // 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS) Proceedings. - IEEE, 2011. - P. 1-6.

127. Mid-infrared ultra-high-Q resonators based on fluoride crystalline materials / C. Lecaplain [et al.] // Nature Communications. - 2016. - Vol. 7. - № 1. - P. 13383.

128. Demonstration of high-Q microspheres in indium fluoride, a versatile new mid-IR class / R. K. Jain [et al.] // IEEE Photonics Conference 2012. - IEEE, 2012. - P. 727-728.

129. As2S3 microspheres with near absorption-limited quality factor / F. Vanier [et al.] // 2012 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics. - IEEE, 2012. -P. 45-46.

130. Tunable Raman lasing in an AS2S3 chalcogenide glass microsphere / A. V. Andrianov [et al.] // Optics Express. - 2021. - Vol. 29. - № 4. - P. 5580-5587.

131. Development and numerical simulation of tellurite glass microresonators for optical frequency comb generation / E. A. Anashkina [et al.] // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2019. - Vol. 522. - P. 119567.

132. Pathak, K. Intracavity Pumped Tunable Low Threshold Mid-IR Kerr Comb at 2 ^m / K. Pathak, R. Pank // Optica Open. Preprint. - 2023.

133. Harris, D. C. Durable 3-5 /m transmitting infrared window materials / D. C. Harris // Infrared Physics & Technology. - 1998. - Vol. 39. - № 4. - P. 185-201.

134. Handbook of Optical Materials / J. W. Fleming, M. J. Weber, G. W. Day [et al.]. -CRC press, 2002.

135. Vahala, K. J. Optical microcavities / K. J. Vahala // Nature. - 2003. - Vol. 424. -P. 839-846.

136. Lin, G. On the dispersion management of fluorite whispering-gallery mode resonators for Kerr optical frequency comb generation in the telecom and mid-infrared range / G. Lin, Y. K. Chembo // Optics Express. - 2015. - Vol. 23. - № 2. - P. 15941604.

137. Kerr optical frequency comb generation in strontium fluoride whispering-gallery mode resonators with billion quality factor / R. Henriet [et al.] // Optics Letters. - 2015. - Vol. 40. - № 7. - P. 1567-1570.

138. Barium fluoride whispering-gallery-mode disk-resonator with one billion quality-factor / G. Lin [et al.] // Optics Letters. - 2014. - Vol. 39. - № 20. - P. 6009-6012.

139. Optical resonators with ten million finesse / A. A. Savchenkov [et al.] // Optics Express. - 2007. - Vol. 15. - № 11. - P. 6768-6773.

140. Hofer, J. Cavity optomechanics with ultrahigh-Q crystalline microresonators / J. Hofer, A. Schliesser, T. J. Kippenberg // Physical Review A. - 2010. - Vol. 82. - № 3. -P. 031804.

141. Bendow, B. Multiphonon Infrared Absorption in the Highly Transparent Frequency Regime of Solids / B. Bendow // Solid State Physics / eds. H. Ehrenreich [et al.]. -Academic Press, 1978. - Vol. 33. - P. 249-316.

142. Kerr frequency comb and brillouin lasing in BaF2 whispering gallery mode resonator / G. Lihachev [et al.] // 2016 International Conference Laser Optics (LO). -2016. - P. PD-4-PD-4.

143. Poulain, M. Verres fluores au tetrafluorure de zirconium proprietes optiques d'un verre dope au Nd3+ / M. Poulain, M. Poulain, J. Lucas // Materials Research Bulletin. -1975. - Vol. 10. - № 4. - P. 243-246.

144. Zhang, L. Evaluation of refractive-index and material dispersion in fluoride glasses / L. Zhang, F. Gan, P. Wang // Applied Optics. - 1994. - Vol. 33. - № 1. - P. 50-56.

145. Saad, M. Fluoride Glass Fiber: State of The Art / M. Saad // Fiber optic sensors and applications VI. - 2009. - Vol. 7316. - P. 170-185.

146. Анашкина, Е. А. Дисперсионные и нелинейные свойства сферических микрорезонаторов на основе различных стекол: Учебно-методическое пособие / Е. А. Анашкина. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2019. - 30 с.

147. Eggleton, B. J. Chalcogenide photonics: fabrication, devices and applications Introduction / B. J. Eggleton // Optics Express. - 2010. - Vol. 18. - № 25. - P. 2663226634.

148. Rodney, W. S. Refractive Index of Arsenic Trisulfide / W. S. Rodney, I. H. Malitson, T. A. King // Journal of the Optical Society of America. - 1958. - Vol. 48. -№ 9. - P. 633.

149. Roadmap on Chalcogenide Photonics / B. Gholipour [et al.] // Journal of Physics: Photonics. - 2023. - Vol. 5. - № 1. - P. 012501.

150. Chalcogenide glass microsphere laser / G. R. Elliott [et al.] // Optics Express. -2010. - Vol. 18. - № 25. - P. 26720-26727.

151. Zakery, A. Optical properties and applications of chalcogenide glasses: a review / A. Zakery, S. R. Elliott // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2003. - Vol. 330. - № 1. - P. 1-12.

152. Eggleton, B. J. Chalcogenide photonics / B. J. Eggleton, B. Luther-Davies, K. Richardson // Nature Photonics. - 2011. - Vol. 5. - № 3. - P. 141-148.

153. Vanier, F. Cascaded Raman lasing in packaged high quality As2S3 microspheres / F. Vanier, Y.-A. Peter, M. Rochette // Optics Express. - 2014. - Vol. 22. - № 23. -P. 28731-28739.

154. Batch Fabrication of High-Quality Infrared Chalcogenide Microsphere Resonators / Y. Xie [et al.] // Small. - 2021. - Vol. 17. - № 20. - P. 2100140.

155. Hass, M. Residual absorption in infrared materials / M. Hass, B. Bendow // Applied Optics. - 1977. - Vol. 16. - № 11. - P. 2882-2890.

156. Microresonator and Laser Parameter Definition via Self-Injection Locking / A. E. Shitikov [et al.] // Physical Review Applied. - 2020. - Vol. 14. - № 6. - P. 064047.

157. Whispering gallery modes excitation in microresonators of crystalline silicon at 8.6 ^m wavelength. / A. E. Shitikov [et al.] // Frontiers in Optics (2021). - Optical Society of America, 2021. - P. JTu1A.23.

158. Coherent mid-infrared frequency combs in silicon-microresonators in the presence of Raman effects / A. G. Griffith [et al.] // Optics Express. - 2016. - Vol. 24. - № 12. -P. 13044-13050.

159. High-Q As2S3 and GaAs Whispering Gallery Mode Microresonators / T. S. Tebeneva [et al.] // Frontiers in Optics (2021). - Optica Publishing Group, 2021. -P. JTu1A.107.

160. Andronico, A. Difference frequency generation in GaAs microdisks / A. Andronico, I. Favero, G. Leo // Optics Letters. - 2008. - Vol. 33. - № 18. - P. 2026.

161. Two Photon Absorption, Nonlinear Refraction, And Optical Limiting In Semiconductors / E. W. Van Stryland [et al.] // Optical Engineering. - 1985. - Vol. 24. -№ 4.

162. Is Ge an Excellent Material for Mid-IR Kerr Frequency Combs Around 3-^m Wavelengths? / R. Guo [et al.] // Journal of Lightwave Technology. - 2022. - Vol. 40. -№ 7. - P. 2097-2103.

163. Whispering gallery mode microresonators: Fundamentals and applications / G. C. Righini [et al.] // La Rivista del Nuovo Cimento. - 2011. - Vol. 34. - № 7. - P. 435-488.

164. All-precision-machining fabrication of ultrahigh-Q crystalline optical microresonators / S. Fujii [et al.] // Optica. - 2020. - Vol. 7. - № 6. - P. 694-701.

165. Fabrication of high-Q crystalline whispering gallery mode microcavities using single-point diamond turning / K. N. Min'kov [et al.] // Journal of Optical Technology. -2021. - Vol. 88. - № 6. - P. 348.

166. Chemical-mechanical surface treatment method for high-quality crystalline whispering gallery mode microresonators / K. N. Minkov [et al.] // Journal of Optical Technology. - 2022. - Vol. 89. - № 11. - P. 691.

167. Gorodetsky, M. L. Ultimate Q of optical microsphere resonators / M. L. Gorodetsky, A. A. Savchenkov, V. S. Ilchenko // Optics Letters. - 1996. - Vol. 21. - № 7. - P. 453-455.

168. Chalcogenide Microsphere Fabricated From Fiber Tapers Using Contact With a High-Temperature Ceramic Surface / P. Wang [et al.] // IEEE Photonics Technology Letters. - 2012. - Vol. 24. - № 13. - P. 1103-1105.

169. Way, B. High-Q microresonators for mid-IR light sources and molecular sensors / B. Way, R. K. Jain, M. Hossein-Zadeh // Optics Letters. - 2012. - Vol. 37. - № 21. -P. 4389-4391.

170. Short vertical tube furnace for the fabrication of doped glass microsphere lasers / J. M. Ward [et al.] // Review of Scientific Instruments. - 2010. - Vol. 81. - № 7. -P. 073106.

171. Murugan, G. S. Selective excitation of whispering gallery modes in a novel bottle microresonator / G. S. Murugan, J. S. Wilkinson, M. N. Zervas // Optics Express. - 2009.

- Vol. 17. - № 14. - P. 11916-11925.

172. Ultra-high Q whispering-gallery-mode bottle microresonators: properties and applications / D. O'Shea [et al.] // Laser Resonators and Beam Control XIII. -International Society for Optics and Photonics, 2011. - Vol. 7913. - P. 79130N.

173. Del'Haye, P. Laser-machined ultra-high-Q microrod resonators for nonlinear optics / P. Del'Haye, S. A. Diddams, S. B. Papp // Applied Physics Letters. - 2013. -Vol. 102. - № 22. - P. 221119.

174. Papp, S. B. Mechanical Control of a Microrod-Resonator Optical Frequency Comb / S. B. Papp, P. Del'Haye, S. A. Diddams // Physical Review X. - 2013. - Vol. 3. - № 3.

- P. 031003.

175. Sumetsky, M. Surface nanoscale axial photonics / M. Sumetsky, J. M. Fini // Optics Express. - 2011. - Vol. 19. - № 27. - P. 26470-26485.

176. Sumetsky, M. Optical bottle microresonators / M. Sumetsky // Progress in Quantum Electronics. - 2019. - Vol. 64. - P. 1-30.

177. Sumetsky, M. SNAP: Fabrication of long coupled microresonator chains with sub-angstrom precision / M. Sumetsky, Y. Dulashko // Optics Express. - 2012. - Vol. 20. -№ 25. - P. 27896-27901.

178. Toropov, N. A. Permanent matching of coupled optical bottle resonators with better than 016 GHz precision / N. A. Toropov, M. Sumetsky // Optics Letters. - 2016. -Vol. 41. - № 10. - P. 2278.

179. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip / D. K. Armani [et al.] // Nature. - 2003. - Vol. 421. - № 6926. - P. 925-928.

180. Low-loss silicon platform for broadband mid-infrared photonics / S. A. Miller [et al.] // Optica. - 2017. - Vol. 4. - № 7. - P. 707-712.

181. Progress on the fabrication of on-chip, integrated chalcogenide glass (ChG)-based sensors / K. Richardson [et al.] // Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials. -2010. - Vol. 19. - № 01. - P. 75-99.

182. Vertically integrated As2S3 ring resonator on LiNbO3 / M. E. Solmaz [et al.] // Optics Letters. - 2009. - Vol. 34. - № 11. - P. 1735.

183. Автоматизированная установка для изготовления оптических волокон с субмикронным диаметром / К. Н. Миньков [и др.] // Приборы и техника эксперимента. - 2023. - № 2.

184. Chalcogenide Glass Microfibers for Mid-Infrared Optics / D. Cai [et al.] // Photonics. - 2021. - Vol. 8. - № 11. - P. 497.

185. Ideality in a Fiber-Taper-Coupled Microresonator System for Application to Cavity Quantum Electrodynamics / S. M. Spillane [et al.] // Physical Review Letters. - 2003. -Vol. 91. - № 4. - P. 043902.

186. Demchenko, Y. A. Optimisation of the prism coupling of optical whispering-gallery-mode microcavities / Y. A. Demchenko, I. A. Bilenko, M. L. Gorodetsky // Quantum Electronics. - 2017. - Vol. 47. - № 8. - P. 743-747.

187. Aggarwal, R. L. Physical Properties of Diamond and Sapphire / R. L. Aggarwal, A. K. Ramdas. - CRC Press, 2019. - 92 p.

188. Оптические константы селенида цинка в видимом и инфракрасном диапазонах спектра / H. Qi [et al.] // Журнал прикладной спектроскопии. - 2017. -Vol. 84. - № 4. - P. 660-663.

189. Шитиков, А. Е. Высокодобротные кристаллические микрорезонаторы с модами «шепчущей галереи» для ИК-фотоники: дис. канд. ф.-м. н.: 01.04.01 -Приборы и методы экспериментальной физики: кандидат наук / А. Е. Шитиков. -М., 2022. - 135 с.

190. Gorodetsky, M. L. High-Q optical whispering-gallery microresonators: precession approach for spherical mode analysis and emission patterns with prism couplers / M. L. Gorodetsky, V. S. Ilchenko // Optics Communications. - 1994. - Vol. 113. - № 1-3. -P. 133-143.

191. Gorodetsky, M. L. Optical microsphere resonators: optimal coupling to high-Q whispering-gallery modes / M. L. Gorodetsky, V. S. Ilchenko // JOSA B. - 1999. -Vol. 16. - № 1. - P. 147-154.

192. Electrically pumped photonic integrated soliton microcomb / A. S. Raja [et al.] // Nature Communications. - 2019. - Vol. 10. - № 1. - P. 680.

193. Battery-operated integrated frequency comb generator / B. Stern [et al.] // Nature. - 2018. - Vol. 562. - № 7727. - P. 401-405.

194. Matsko, A. B. Optical resonators with whispering-gallery modes-part I: basics / A. B. Matsko, V. S. Ilchenko // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.

- 2006. - Vol. 12. - № 1. - P. 3-14.

195. Demchenko, Y. A. Analytical estimates of eigenfrequencies, dispersion, and field distribution in whispering gallery resonators / Y. A. Demchenko, M. L. Gorodetsky // JOSA B. - 2013. - Vol. 30. - № 11. - P. 3056-3063.

196. Kerr nonlinearity and multi-photon absorption in germanium at mid-infrared wavelengths / B.-U. Sohn [et al.] // Applied Physics Letters. - 2017. - Vol. 111. - № 9.

- P. 091902.

197. Kondratiev, N. M. Thermal influence on laser self-injection locking to nonlinear microresonator / N. M. Kondratiev, R. R. Galiev, V. E. Lobanov // SPIE. - Vol. 11770. -P. 53-58.

198. Rumi, M. Two-photon absorption: an overview of measurements and principles / M. Rumi, J. W. Perry // Advances in Optics and Photonics. - 2010. - Vol. 2. - № 4. -P. 451-518.

199. Two-photon absorption in indium antimonide and germanium / A. F. Gibson [et al.] // Journal of Physics C: Solid State Physics. - 1976. - Vol. 9. - № 17. - P. 3259.

200. Волоконные световоды для среднего инфракрасного диапазона: учебник / Л. В. Жукова, А. С. Корсаков, А. Е. Львов, Д. Д. Салимгареев. - Екатеринбург: УМЦ УПИ, 2016.

201. Suppression of crystallization in ZBLAN glass by rapid heating and cooling processing / T.-C. Ong [et al.] // International Journal of Applied Glass Science. - 2019.

- Vol. 10. - № 3. - P. 391-400.

202. Маммад, И. Т. Кристаллизация стекол на основе As2S3 с участием тт методом ДТА. / И. Т. Маммад, Г. Г. Гаджи, Г. Наджафоглы // Евразийский Союз Ученых. - 2019. - № 3-2 (60). - С. 44-45.

Список рисунков

1.1 Окна прозрачности различных материалов в диапазоне от 1 мкм до 16 мкм........22

2.1 Процесс подготовки кристаллических резонаторов из германия. (а) и (б) - схема изготовления методом точения и СЭМ изображения готового резонатора, (в) фотографии поверхности микрорезонатора при разных увеличениях (20х и 50х) перед и после процедуры полировки.........................35

2.2 (а) Схема экспериментальной установки. Схема и фотография резонатора элементами связи из германия: (б) призма и (в) полусфера...............................37

2.3 Спектры пропускания, полученные с призменным элементом связи в режиме критической связи для ТЕ поляризации лазерного диода (а)-(б) при прямом и обратном сканировании частоты, (в)-(г) для ТМ поляризации. Ширина Б'НМ соответствует нагруженной добротности

1.1 ■ 107 для ТЕ и 1.2-107 для ТМ поляризаций......................................................39

2.4 Спектры пропускания, полученные с использованием полусферы в качестве элемента связи в режиме критической связи для ТЕ поляризации лазерного диода (а)-(б) при прямом и обратном сканировании частоты. Ширина Б'НМ соответствует нагруженной добротности 1.1-107 и совпадает с полученными ранее результатами....................................................41

2.5 Спектры пропускания в режиме затягивания частоты лазерного диода на резонатор из германия для различных фаз обратной волны (1-111)....................43

2.6 Зависимость ширин резонансных кривых в режиме затягивания от нагружения резонатора при прямом и обратном сканировании частоты для разных значений тока на лазерном диоде и скоростей модуляции тока. (а)-(б) для тока 90 мА, (в)-(г) для 190 мА. При быстром сканировании частоты лазерного диода (период модуляции тока 2 мс) влияние тепловой нелинейность пропадает - (б), (г)..........................................................................44

2.7 Спектр пропускания с периодом модуляции тока накачки 200 мс, на

котором присутствует влияние тепловой нелинейности, для которой характерно уширение резонансной кривой при прямом сканировании частоты и сужение при обратном, а также термическая колебательная неустойчивость, представленная в виде осцилляций..........................................45

2.8 Зависимость полного диапазона затягивания частоты от нагружения микрорезонатора для разных величин мощности, циркулирующей в резонаторе, для (а) - 20 Гц, (б) - 500 Гц частоты тока модуляции...................50

2.9 Схема экспериментальной установки с окном из германия для подавления обратной волны идущей в лазер от резонатора...................................................52

2.10 Спектры пропускания в режиме критической связи при минимальной и максимальной мощностях внутри резонатора (35 и 138 мкВт). Ширина Е'НМ на большой мощности больше примерно в два раза.............................54

3.1 Схема изготовления аморфных микросферических резонаторов из оптического волокна методом плавления. На этапе подготовки

волоконной заготовки сердцевина волокна очищается от защитного покрытия и приклеивается к феруле. В процессе плавления перемещение нагревательного элемента позволяет контролировать диаметр микросферы.............................................................................................................57

3.2 Схема установки для изготовления микросферических резонаторов из Лб283 оптических волокон с паяльной станцией в качестве нагревательного элемента......................................................................................58

3.3 (а) Фотография экспериментальной установки для растяжения

оптического волокна из трисульфида мышьяка. В центре кадра нагревательный элемент с оптическим волокном внутри. (б) Принципиальная схема экспериментальной установки, используемой для растяжения оптического волокна из Лб283. (в) Фотография оптического волокна через микроскоп до и после растяжения. Нижнее фото

соответствует минимальной толщине волокна, полученной с помощью данной экспериментальной установки.................................................................61

3.4 Экспериментальная установка для растяжения волокна с контролем пропускания в процессе растяжения.....................................................................63

3.5 По левой оси ординат график зависимости оптических потерь в процессе растяжения от времени вытягивания волокна, измеренные на длине волны 2.64 мкм. По правой оси ординат зависимость уменьшения диаметра волокна от времени растягивания. Красным отмечена точка измерения потерь после остывания волокна...........................................................................64

3.6 Дефекты на поверхности микросфер, выявленные в процессе изготовления. (а) Дефекты, возникшие из-за неоднородностей на поверхности волокна перед процессом плавления. (б) Дефекты, связанные с несимметричностью распределения температуры. (в) Дефекты, связанные с кристаллизацией на поверхности волокна, проявляющиеся в неоднородной поверхности волокна......................................67

3.7 Фотографии изготовленных микросфер из Аб283, диаметрами 100 мкм (слева), 370 мкм (в центре) и 440 мкм (справа)...................................................70

3.8 Схема экспериментальной установки, используемой для возбуждения МШГ в микросфере из трисульфида мышьяка на длине волны 1.55 мкм........71

3.9 Спектр пропускания для микрорезонатора из Аб283 диаметром 200 мкм. Во вложении: резонансная кривая, аппроксимированная функцией Лоренца, с величиной Б'НМ равной (21.0 ± 0.6) МГц, что соответствует нагруженной добротности = (5.2 ± 0.2)-106....................................................72

4.1 Схема установки для изготовления МШГ микрорезонаторов...........................77

4.2 Дефекты на поверхности микросфер выявленные в процессе изготовления. (а) Дефекты, связанные с наличием загрязнения на поверхности волокна перед процессом плавления. (б) Дефекты, связанные с несимметричностью распределения температуры. (в) Дефекты, связанные с кристаллизацией на поверхности волокна....................79

4.3 Микросферы диаметрами 335 мкм (слева), 300 мкм (в центре) и 325 мкм (справа).....................................................................................................................81

4.4 Схема экспериментальной установки для возбуждения МШГ для микрорезонаторов из волокна ZBLAN на длине волны 1.55 мкм.....................82

4.5 Спектры пропускания при прямом (слева) и обратном (справа) сканировании частоты в режиме критической связи для микрорезонатора диаметром 310 мкм. Величина добротности составила ^ = (2.7 ± 0.2)-108........83

4.6 Схема экспериментальной установки для возбуждения МШГ для микрорезонаторов из волокна ZBLAN на длине волны 2.64 мкм.....................84

4.7 Спектры пропускания для микрорезонатора диаметром 310 мкм в зависимости от расстояния между микрорезонатором и элементом связи. (а) Резонансная кривая в точке касания микрорезонатора с элементом связи, (б) на расстоянии 0.72 мкм от элемента связи, (в) на расстоянии 0.19 мкм от элемента связи, (г) спектр пропускания в зависимости от расстояния микросферы до призмы......................................................................85